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Gedruckter Fahrradrahmen aus Titan

Renishaw, Hersteller für generative Fertigungsanlagen zum Drucken von Metallteilen in Großbritannien, hat sich mit einem führenden britischen Fahrradkonstrukteur bzw. -hersteller zusammengetan, um den weltweit ersten 3D-gedruckten Fahrradrahmen zu schaffen. Empire Cycles hat das Mountainbike extra so entwickelt, um sich Renishaws additive Fertigungstechnologie zunutze machen zu können.

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Dieses Projekt hat gezeigt, dass die Additive Fertigung auch im Outdoor-Bereich für Hochleistungskomponenten eingesetzt werden kann.

Dieses Projekt hat gezeigt, dass die Additive Fertigung auch im Outdoor-Bereich...

Der anhand der Topologieoptimierung entstandene Titanrahmen ist stabil und 33 % leichter als der originale Rahmen und wurde im additiven Laserschmelzverfahren in Teilstücken aus einer Titanlegierung gefertigt und zusammengefügt. Das bietet eine Reihe an Vorteilen: Durch die Gestaltungsfreiheit sind schnelle Iterationen, Flexibilität und Designverbesserungen bis kurz vor der Produktion durchführbar. Zudem besteht die Möglichkeit zur komplexen Topologieoptimierung bis hin zur Bionik sowie optimale kundenspezifische Anpassung – sogar in der Serienproduktion. Konstruktionsseitig eröffnet die neue Technologie den Zugang zu komplexen Geometrien mit implementierten Verstärkungen, vielfältige Möglichkeiten des Leichtbaus und für integrierte Merkmale, wie z.B. den Namen des Fahrers. Durch die Hochleistungs-Titanlegierung wurde der Sattelstützhalter 44 % leichter als die Version aus Aluminiumlegierung gebaut. Das Material ist extrem stark – geprüft nach EN 14766 –, korrosionsbeständig und langlebig.

Empire Cycles

Das Unternehmen, ein britischer Entwickler und Hersteller für Fahrräder in Nordwestengland, fertigt mit Leidenschaft hochwertige Produkte und bietet Mountainbikern und Downhill-Bikern innovative Designs. Durch die Zusammenarbeit von Renishaw und Empire Cycles konnte das Fahrraddesign für die Additive Fertigung optimiert werden und viele der nach unten zeigenden Oberflächen, die beim Bau zusätzliche Stützgeometrien benötigt hätten, eliminiert werden.

Optimale Festigkeitseigenschaften

Bei einer Verarbeitung mit additiven Fertigungsverfahren besitzen Titanlegierungen eine Zugfestigkeit
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Empire Cycles fertigt mit Leidenschaft hochwertige Produkte und bietet Mountainbikern und Downhill-Bikern innovative Designs.

Empire Cycles fertigt mit Leidenschaft hochwertige Produkte und bietet Mountainbikern...

von über 900 MPa, sowie eine nahezu perfekte Dichte von mehr als 99,7 %; dies ist besser als jedes Gussverfahren. Da die Restporosität sowohl klein als auch kugelförmig ist, hat sie wenig Einfluss auf die Festigkeit. Ziel des Projektes ist es, ein voll funktionsfähiges Fahrrad herzustellen; der Sattelstützhalter wurde gemäß Norm EN 14766 (Mountainbikes) geprüft und hat 50.000 Zyklen von 1.200 N standgehalten. Weitere Prüfungen mit bis 6-fach höherer Belastung als die Norm erfordert, konnten ohne Ausfall durchgeführt werden. Darüber hinaus ist die Dauerfestigkeit Gegenstand aktueller Untersuchungen, sowohl im Labor (Kooperation mit Bureau Veritas UK) als auch am Berg unter Verwendung von tragbaren Sensoren (Kooperation mit der Swansea University).

Was ist eine topologische Optimierung?

Aus dem griechischen Wort für Ort, topo: Topologieoptimierungs-Softwares sind Programme, die verwendet werden, um den logischen Ort für Material zu bestimmen – in der Regel unter Verwendung aufeinanderfolgender Schritte und einer Finite-Elemente-Analyse. Material wird aus den Bereichen mit geringer Belastung so lange entfernt, bis ein optimiertes Design für die Lastpfade entsteht. Das daraus resultierende Modell ist sowohl leicht (aufgrund des geringen Volumens) als auch stabil. Die so entstehenden Formen können konventionell oft nur schwer oder gar nicht hergestellt werden. Diese Schwierigkeit kann mit der Additiven Fertigung jedoch überwunden werden.

Ultimativer Leichtbau

Titanlegierungen haben eine
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Durch die Hochleistungs-Titanlegierung wurde der Sattelstützhalter 44 % leichter als die Version aus Aluminium.

Durch die Hochleistungs-Titanlegierung wurde der Sattelstützhalter 44 % leichter...

höhere relative Dichte als Aluminiumlegierungen (ungefähr 4 g/cm3 bei Titan, gegenüber 3 g/cm3 bei Aluminium). Die einzige Möglichkeit, eine Gewichtsreduktion an einem Originalbauteil aus Aluminium durch die Verwendung einer Titanlegierung zu erzielen, besteht also in einer wesentlichen Designänderung. Beim Ansatz für Leichtbaustrukturen wird jegliches Material, welches nicht zur Festigkeit des Bauteils beiträgt, entfernt.

Der originale Sattelstützhalter aus Aluminiumlegierung hat eine Masse von 360 g und die hohle Version aus Titan 200 g – eine Gewichtseinsparung von 44 %. Dies ist aber nur der erste Schritt, weitere Ansätze, z.B. die forcierte Anwendung bionischer Strukturen mit komplexen Innengeometrien, versprechen weitere Einsparungen des Bauteilgewichts. Insgesamt hatte der ursprüngliche Fahrradrahmen ein Gewicht von 2.100 g. Nach der Neugestaltung und der Anwendung von additiven Fertigungsverfahren fiel das Gewicht auf 1.400 g – eine Gewichtseinsparung von insgesamt 33 %.

Zwar gibt es leichtere Fahrräder aus Kohlefaser, aber Chris Williams, Geschäftsführer bei Empire Cycles, hat seinerseits gute Gründe gegen die Verwendung dieses Werkstoffes: "Die Lebensdauer von Kohlefaser steht in keinem Vergleich zu einem Metallfahrrad. Kohlefaser eignet sich wunderbar für Straßenräder, aber wenn man sich Berghänge runterstürzen möchte, riskiert man damit Beschädigungen am Rahmen. Meine Fahrräder sind überspezifiziert, um sicherzugehen, dass keine Beschädigungen entstehen können."

Wie wurde das Projekt realisiert?

Chris hatte bereits ein 3D-gedrucktes Modell (Maßstab 1 : 1) seines aktuellen Rads hergestellt,
bevor er mit Renishaw in Kontakt trat. Er wusste also ziemlich genau, was er erreichen wollte. Renishaw hatte ursprünglich zugestimmt, nur den Sattelstützhalter zu optimieren und herzustellen. Nachdem dies so erfolgreich vonstatten ging, wurde entschieden, dass der nächste Meilenstein durch einen komplett im Laserschmelzverfahren hergestellten Fahrradrahmen definiert werden sollte. Renishaws Anwendungsspezialisten haben Chris sodann beraten, worauf hin dieser sofort eine Idee für ein neues Design hatte. Der Rahmen wurde in Segmente aufgeteilt, damit die 300 mm Bauhöhe der AM250 Anlage voll ausgenutzt werden konnte.

Der wesentliche Vorteil für Empire Cycles liegt in der Leistungsüberlegenheit, die diese Bauweise mit sich bringt. Das Design verfügt über alle Vorteile von gepresstem Stahl in Schalenbauweise, wie es für Motorräder und Autos verwendet wird, ohne jedoch in die Werkzeuge investieren zu müssen, was für einen kleinen Hersteller nicht tragbar wäre.

Dieses Projekt hat gezeigt, dass die Additive Fertigung auch im Outdoor-Bereich für Hochleistungskomponenten eingesetzt werden kann.
Empire Cycles fertigt mit Leidenschaft hochwertige Produkte und bietet Mountainbikern und Downhill-Bikern innovative Designs.
Durch die Hochleistungs-Titanlegierung wurde der Sattelstützhalter 44 % leichter als die Version aus Aluminium.
Der Rahmen wurde in Segmente aufgeteilt, damit die 300 mm Bauhöhe der AM250 Anlage voll ausgenutzt werden konnte.

  • flag of at Renishaw Austria GmbH
  • Industriestrasse 9 , Top 4.5
  • A-2353 Guntramsdorf
  • Tel. +43 2236 379790 0
  • www.renishaw.at


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Maschinen und Lösungen

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In diesem Jahr geht die Zusatzausbildung Lehrgang Fachingenieur Additive Fertigung VDI in die zweite Runde. Als einer der ersten Absolventen des Lehrganges erzählt Peter Glökler, Geschäftsführer der Freyer GmbH & Co. KG, von seinen Erfahrungen und welchen konkreten Nutzen er und sein Unternehmen aus der Ausbildung ziehen kann. Das Gespräch führte Georg Schöpf, x-technik
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